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Handreichung Mit QR Code ® - Unterstützung! Lichtausbreitung und Schattenbildung Reflexion an Spiegeln Strahlenverlauf an gekrümmten Spiegeln Brechung und Totalreflexion Brennweite einer Sammellinse Strahlengang bei Konvex- und Konkav-Linsen Linsengleichung Zerlegung von weißem Licht Optische Geräte Cornelsen Experimenta Optik 2.0 Schüler-Set Lese- probe

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Handreichung

Mit QR Code®- Unterstützung!

Lichtausbreitung und Schattenbildung

Reflexion an Spiegeln

Strahlenverlauf an gekrümmten Spiegeln

Brechung und Totalreflexion

Brennweite einer Sammellinse

Strahlengang bei Konvex- und Konkav-Linsen

Linsengleichung

Zerlegung von weißem Licht

Optische Geräte

Cornelsen Experimenta

Optik 2.0Schüler-Set

Lese- probe

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Dieses Werk enthält Vorschläge und Anleitungen für Untersuchungen und Experimente. Vor jedem Experiment sind mögliche Gefahrenquellen zu besprechen. Beim Experimentieren sind die Richtlinien zur Sicherheit im Unterricht einzuhalten.

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© 2019 Cornelsen Experimenta GmbH, Berlin

Leseprobe

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© Cornelsen Experimenta 3

Schüler-Set Optik 2.0Bestellnummer 47530

InhaltEinräumplan / Einzelteilübersicht ...................4, 5Hinweise zum Versuchsaufbau ...........................6Hinweise zur Schülerlampe ................................7Binnendifferenzierung mit QR Codes .............8, 9

1 StrahlenoptikVersuchsbeschreibungen,Arbeitsblätter & Stationskarten ................10

1.1 Licht und Schatten ................................101.2 Reflexionsgesetz ....................................121.3 Gekrümmte Spiegel ..............................151.4 Snellius’sches Brechungsgesetz ..............171.5 Das Prinzip von Fermat .........................201.6 Brechung und Totalreflexion

in Wasser ...............................................231.7 Übung zur Lichtbrechung .....................261.8 Strahlengänge durch Linsen .................281.9 Brennpunkt einer Sammellinse .............301.9a Schnittlinse .............................................. 301.9b Linse auf der optischen Bank .................... 301.10 Bildentstehung bei Sammellinsen ..............341.11 Linsengleichung ....................................371.12 Optische Geräte ..................................401.12a Das Erdfernrohr ....................................... 401.12b Das astronomische Fernrohr .................... 411.12c Der Projektor ........................................... 411.12d Das Lichtmikroskop ................................. 421.13 Licht und Farbe ...................................45

Für die Versuche zur Wellenoptik ist dieErgänzung Wellenoptik 47540 erforderlich.

2 Wellenoptik Versuchsbeschreibungen,

Arbeitsblätter & Stationskarten ........... 47

2.1 Interferenz am Gitter ........................ 472.2 Polarisation ........................................ 502.3 Polarisationseffekte ............................ 532.3a Polarisation bei Spiegelung

(Brewster-Winkel) ..................................532.3b Spannungsdoppelbrechung ...................532.3c Chromatische Polarisation

(LCD-Bildschirme) .................................542.4 LED und Laser –

Kohärenz, Polarisation und Monochromatik .......................... 57

Arbeitsblatt für Heftoptik .................................58

Bestellschein ....................................................59

-Konformitätserklärung

Hiermit wird bestätigt, dass das Produkt Schüler-Set Optik 2.0 (Best.-Nr. 47530) den Anforderungen der Europäischen Norm EN 50 081-1 (EMV) entspricht.

Cornelsen Experimenta – Berlin, am 22.05.2017

Nicolas Domann

Geschäftsführer

se-pr

Einräumplan / Einzelteilübersicht ...................4, 5Hinweise zum Versuchsaufbau ...........................6Hinweise zur Schülerlampe ................................7Binnendifferenzierung mit QR Codes .............8, 9

1.7 Übung zur Lichtbrechung .....................261.8 Strahlengänge durch Linsen .................28

2.1 Interferenz am Gitter ........................ 47

Die markierten Kapitel sind in dieser Leseprobe in Auszügen enthalten.

Leseprobe

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4 © Cornelsen Experimenta

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Einräumplan / Einzelteilübersicht Schüler-Set Optik 2.0 (47530)

Abb.-Nr. Anz. Artikelbezeichnung Best.-Nr.

– 1 Anleitung Schüler-Set Optik 2.0 475305

– 1 Einräumplan Schüler-Set Optik 2.0 475303

1 1 Profilschiene, Aluminium, 500 mm 40810

2 1 Schülerlampe LED/LASER 47535

3 1 Stecker-Netzgerät 68534

4 1 Batteriehalter 475351

5 1 Satz Optische Körper (6 Stück) 47510

6 1 Acrylglasstab 47511

7 Mignonbatterie, 1,5 V, Alkaline, Satz 4 Stück

51904

8 1 Prisma, gleichseitig, 3x60° 47241

9 1 Lampentisch 47536

10 1 Messtisch 47512

11 5 Klemmschieber 40820

12 1 Universalspiegel 47094

Abb.-Nr. Anz. Artikelbezeichnung Best.-Nr.

13 1 Linse, bikonvex, f = +200 mm 47136

14 1 Linse, bikonvex, f = +100 mm 47135

15 1 Linse, bikonvex, f = +50 mm 47134

16 1 Linse, bikonkav, f = –100 mm 47138

17 1 Kondensor 475151

18 1 Blenden- und Diahalter 47517

19 1 Dia Maßstab 47410

20 1 Farbfilter, Primärfarben, rot, grün, blau

47045

21 1 Schirm- und Spiegelhalter 47256

22 1 Kreuzständer, schwarz 13707

23 1 Petrischale mit Mittelsteg 17715

24 1 Schirm, weiß, mit Maßstab 13733

Zusätzlich erforderlich: Schattenkörper (Radiergummi, Anspitzer etc.), Lineal (30 cm), Wasser

mit Ergänzung Wellenoptik 47540

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12

3 42

26

26

27 –

30

19 20

25

Optische Körper

halb- rund

bi- konvex

Schnittlinsen

bi- konkav

quader- förmig

Prisma,gleich -

schenklig

Prisma,gleich - seitig

Leseprobe

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Schüler-Set Optik 2.0Einzelteilübersicht Ergänzung Wellenoptik (47540)

Abb.-Nr. Anz. Artikelbezeichnung Best.-Nr.

25 1 Schirm, Klarglas 47065

26 1 Paar Polarisationsfilter mit Skala 47282

27 1 Glimmerscheibe im Diarahmen 47407

28 1 Strichgitter, 80 Linien/mm 47285

29 1 Strichgitter, 300 Linien/mm 47282

30 1 Strichgitter, 600 Linien/mm 47283

25 26

27 28 29 30

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6 © Cornelsen Experimenta

Schüler-Set Optik 2.0Aufbauhinweise

b b

Kondensor 17 Blenden- und Diahalter 18

aa

a + b a + b

Die Klemmschieber 11 können an jeder beliebigen Stelle der Profilschiene aufgesetzt werden. Sie dienen zum Ein stecken und Fixieren der Stativstäbe.

Die drei Buchsen des Klemm schiebers unter-scheiden sich in ihrer Klemmwirkung. Bei der Wahl der Buchse ist darauf zu achten, dass das Bauteil bis zum Anschlag in die Buchse gescho-ben ist und fest sitzt.

Der Blenden- und Diahalter 18 und der Kondensor 17 mit Blenden- und Diahalter werden jeweils aus zwei Teilen (a und b) zusammengesetzt.

Der Aufsatz (b) ist in der Box einfach vorhanden und wird – je nach Bedarf – zwischen 17 und 18 getauscht.

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© Cornelsen Experimenta 7

Schüler-Set Optik 2.0Hinweise zur Schülerlampe

Hinweise zur Gefährdungsbeurteilung der Schülerlampe

Die Schülerlampe emittiert umschaltbar Licht einer weißen LED und eines roten Lasers. Beide Lichtquellen sind in der niedrigsten Schutzklasse ihrer Art zertifiziert *, sodass die Schülerlampe nach DIN EN 62471 der Risikogruppe RG0 („freie Gruppe“) und nach DIN EN 60825 der Laserschutzklasse I zugeordnet ist.

Eine Gefährdungsbeurteilung gemäß der RiSU „Sicherheit und Gesund-heit im Unterricht“ erlaubt den Einsatz der Schülerlampe im Unterricht:

�� Der Betrieb der Lampe durch Schülerinnen und Schüler erfordert nicht die Aufsicht der Lehrerin oder des Lehrers.

�� Der Versuchsbereich muss nicht mit einem Laserwarnschild gekennzeichnet oder durch Abgrenzung gegen unbeabsichtigtes Betreten gesichert sein.

�� Der Einsatz von optisch sammelnden Komponenten (z. B. Lupen, Sammellinsen) ist erlaubt.

Wir empfehlen, die Schülerinnen und Schüler vor Aufbau und Durchfüh-rung von Experimenten über die Gefährdung der Augen durch Laser-licht zu belehren. Den Schülerinnen und Schülern sollte der direkte Blick in den Laser und die LED untersagt werden, auch wenn er für Abstände größer als der zertifizierte Sicherheitsabstand von 50 mm gestattet ist.

* Das Zertifikat kann in elektronischer Form angefordert werden unter [email protected]

Hinweise zum Gebrauch

Die Schülerlampe benötigt eine Gleichspannung von 3 V. Sie kann wahl-weise mit der Batterieversorgung oder dem Steckernetzteil betrieben werden. Mittels Umschalter kann zwischen LED und Laser gewählt werden.

Der Laser entwickelt seine volle Leuchtstärke nur bei Temperaturen unter 40 °C. Beim Wechsel der Schülerlampe vom LED-Betrieb in den Laser-Betrieb ist deshalb darauf zu achten, dass nach längerem Einsatz der LED bei Raumtemperatur eine Abkühlzeit von ca. 5 Minuten eingeplant wird.

Laser rot (635 nm) Schalter-stellungen LED neutral-weiß

AUS

Steckernetzteil oder BatterieversorgungLeseprobe

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8 © Cornelsen Experimenta

Schüler-Set Optik 2.0Binnendifferenzierung mit QR Codes

Einleitung

Für die Binnendifferenzierung in der Experimentierstunde benötigen Sie in der Regel Zusatzmaterialien, deren Erstellung meist sehr zeitauf-wändig ist. Deshalb haben wir ein Konzept für Smartphones und Tablets ent-wickelt, mit dem die Schülerinnen und Schüler auf von uns bereit-gestellte Inhalte im Internet zugreifen können. Der Zugriff auf diese Materialien erfolgt dabei über QR Codes. Diese lassen sich gemäß Ihren Wünschen in kürzester Zeit kostenlos im Internet generieren.

Im ersten Schritt können Sie einen QR Code® erzeugen, der auf einen oder mehrere von uns bereitgestellte Inhalte im Internet verweist. Dabei stehen Ihnen die folgenden Inhalte für jeden Versuch aus diesem Anleitungsheft zur Verfügung:

� Kurzbeschreibung

� Materialliste

� Versuchsschema

� Foto des Aufbaus

� Video des Aufbaus

Zu einigen Experimenten bieten wir zusätzlich:

� Hilfekarten

� Beispieldaten

� weiterführende Links

Den erzeugten QR Code® können Sie entweder speichern, oder direkt auf einem Arbeitsblatt einbinden.

Als Alternative können Sie auch einen großen QR Code®, der auf einen einzelnen Inhalt verweist, als Hilfecode ausdrucken und laminieren.

Für das Einbinden auf dem Arbeitsblatt empfehlen wir eine Größe von50 x 50 Pixel und bei Hilfecodes von 150 x 150 Pixel.

Empfohlene Größe:

50 x 50 Pixel

QR Code® ist ein eingetragenes Waren-zeichen der Denso Wave Incorporated.www.denso-wave.com

Link zum Video des Au� aus

Empfohlene Größe:

150 x 150 Pixel

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Schüler-Set Optik 2.0Binnendifferenzierung mit QR-Codes

Was ist ein QR Code®?

Der QR Code® ist ein Bild, in dem eine Information kodiert ist. Der rechts abgebildete Beispielcode enthält die Internetadresse unserer Home-page, also die Information „http://www.cornelsen-experimenta.de“.

Mobilgeräte wie Tablets oder Smartphones sind in der Lage, die Infor-mation dieses Bilds mit einem sogenannten Scanner zu lesen und die Adresse anschließend in einem Browser aufzurufen.

Welche technischen Voraussetzungen sind nötig, um den QR Code® zu lesen?

Sie brauchen ein Mobilgerät, das über eine Kamera verfügt und auf das Internet zugreifen kann. Sind diese technischen Voraussetzungen erfüllt, kann das Gerät einen QR Code® lesen und verarbeiten. Der dazu nötige QR Code® Scanner ist auf dem Smartphone oder Tablet oft bereits installiert.

Sollte ein solches Programm nicht auf dem Gerät vorinstalliert sein, suchen Sie bitte in Ihrem Shop für Anwendungen nach „QR Code®

Scanner“. Unter den meist zahlreichen kostenfreien Scannern wählen Sie sich bitte einen aus und folgen den Installationsanweisungen.

Wie generiere ich einen QR Code®?

Die Anleitung zum jeweiligen Versuch beinhaltet einen QR Code®, der bereits auf eine Vorauswahl der angebotenen Inhalte verweist. Zusätzlich können Sie mit den folgenden Schritten einen eigenen QR Code® erzeugen:

1. Rufen Sie den QR Code®-Generator unterhttp://www.differenzieren-mit-qrcode.de auf.

2. Wählen Sie das gewünschte Experiment aus.

3. Aus der Liste wählen Sie die gewünschtenZusatzinformationen aus.

4. Wählen Sie die Größe des Codes in Pixel.

5. Erzeugen Sie den Code mit dem Button„QR Code® erzeugen“.

6. Der erzeugte QR Code® ist ein Bild, das Sie ausdrucken oder zurWeiterverwendung in anderen Dokumenten kopieren können.

Wie kann ich den QR Code® im Unterricht einsetzen?

Als Hilfecode bietet sich ein QR Code® an, der auf einen einzelnen Inhalt wie das Video, die Hilfekarte oder das Foto des Aufbaus verweist. Dabei können Sie die Verwendung der Mobilgeräte am Arbeitsplatz vermeiden, indem Sie die Benutzung nur an einem speziellen Tisch oder Platz im Raum erlauben.

Ein QR Code®, der auf die Materialliste oder den Aufbau verweist, kann auf einem Arbeitsblatt genutzt werden, um Teile der Beschreibung, wie beispielsweise die Skizze, zu einem späteren Zeitpunkt anzufertigen.

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Schüler-Set Optik 2.01 Strahlenoptik

26 © Cornelsen Experimenta

1.7 Übung: Brechung Die Brechung von Licht in verschiedenen Körpern wird in einer Heftoptik konstruiert und anschließend mit dem Laser der Schüler-lampe kontrolliert.

Arbeitsblatt Übung zur Lichtbrechung

Material

Schülerlampe LED / LASER ......2Satz Optische Körper ...............5

Versuchsdurchführung

In jeder Aufgabe wird zuerst der Verlauf des gezeig-ten Lichtstrahls vervollständigt. Anschließend wird der jeweilige optische Körper mit der rauen Fläche

auf die vorgesehene Position gelegt und die Lösung mit dem Laser kontrolliert.

Lösungen

Aufgabe 1

Aufgabe 2

A

B

C

A

B

C

Aufgabe 3Ausgehend vom Brechungsindex 1,55 ergibt sich für den Brechungswinkel β

β = sin–1(sin (α) ∙ 1,55).

A

B

C

D

Strahl Einfallswinkel α Brechungswinkel β

A 25° 41°

B 10° 16°

C 30° 51°

D 55° –

Leseprobe

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Ph Optik

Name

Datum

Die grau dargestellten Körper sind aus Glas. Löse die folgenden Aufgaben und überprüfe deine Ergebnisse mit dem Laser und dem entsprechenden Körper.

© Cornelsen Experimenta 27

Übung zur Lichtbrechung

1. Markiere den richtigen Lichtweg.

2. Konstruiere den weiteren Strahlenverlauf.

3. Miss die Einfallswinkel der vier Strahlen. Bestimme den Brechungswinkel und konstruiere mit deinem Ergebnis den weiteren Strahlenverlauf.

Raue Seite liegt auf! Verhindere beim Über-prüfen, dass ein Teil des Laserstrahls über den Körper scheint.

Strahl Einfallswinkel Brechungswinkel

A

B

C

D

A

B

C

A

B

C

A

B

C

DLeseprobe

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Schüler-Set Optik 2.01 Strahlenoptik

28 © Cornelsen Experimenta

Material

Schülerlampe LED / LASER ......2Bikonkave Schnittlinse, Bikonvexe Schnittlinse (aus Satz Optische Körper) .......5

Versuchsdurchführung

Bei der Durchführung ist eingangs darauf zu achten, dass die Linsen auf der vorgezeichneten Position liegen. Anschließend werden die auf dem Arbeits-

blatt rot vorgezeichneten Lichtwege mit dem Laser ausgeleuchtet und vervollständigt.

Auswertung

Im Teilexperiment zur Zerstreuungslinse lässt sich beobachten, dass paralleles Licht hinter der Linse auseinanderläuft. Dabei werden die Lichtstrahlen so

gebrochen, dass sie aus einem virtuellen Brennpunkt zu kommen scheinen.

Fvirtuell

Eine Sammellinse hingegen bündelt parallele Licht-strahlen dicht der optischen Achse in einem Brenn-punkt. Da der Lichtweg umkehrbar ist, werden

Brennpunktstrahlen von der Linse zu Parallelstrahlen gebrochen. Mittelpunktstrahlen werden von einer ausreichend dünnen Linse nicht gebrochen.

M

M ≙ „Mittelpunkt“ F ≙ „Brennpunkt“

FF M

1.8 Strahlengänge durch Linsen Die Strahlengänge durch Konvex- und Konkav-linse werden als Heftoptik untersucht.

Arbeitsblatt Strahlengang durch Linsen

Leseprobe

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Bere

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© Cornelsen Experimenta 29

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Leseprobe

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46 © Cornelsen Experimenta

Material

Profilschiene ..........................1Schülerlampe LED / LASER ......2

Op1.2 Reflexionsgesetz2.1 Interferenz am Gitter – Versuchsaufbau

Material

Schülerlampe LED / LASER ......... 2Lampentisch ............................. 9Klemmschieber .......... (3 x) ......11Blenden- und Diahalter ............18

Schirm- und Spiegelhalter ....... 21Schirm .................................... 24Strichgitter, 80; 300; 600 Linien/mm ...28 – 30

e

Blenden- und Diahalter mit Strichgitter

x

Die Lampe an die Kante des Tisches schieben

Den Schirm so verschieben, dass sich das Muster mit dem Maßstab vermessen lässt

Das Gitter so drehen, dass die Linien auf dem Schirm ein horizontales Band ergeben

1

3

2falsch: richtig:

Die Beschriftung des Dias zeigt nach oben

Leseprobe

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Schüler-Set Optik 2.02 Wellenoptik

© Cornelsen Experimenta 47

Versuchsdurchführung

Das Licht des Lasers durchleuchtet wie dargestellt ein Strichgitter. Das Gitter ist so zu drehen, dass die Linien auf dem Schirm ein horizontales Band ergeben. Anschließend werden die Interferenzerscheinungen auf dem Schirm mithilfe des aufgedruckten Maß-stabs vermessen. Dabei sollte der Abstand zwischen Schirm und Gitter ausreichend groß sein, um die benutze Näherung für kleine Winkel zu erlauben.

Auswertung

Mit zunehmender Liniendichte des Gitters rücken die Maxima im Interferenzmuster weiter auseinander. Die Beobachtung der Intensitätsabnahme bei Maxima höherer Ordnungen wird durch die Optik der Laser-diode gestört. Dafür lässt sich die Wellenlänge der Laserdiode mit dem in der Abbildung hergeleiteten Zusammenhang λ = g x _ e recht genau berechnen. Das bestätigt der Vergleich der Messwerte mit der auf dem Typenschild angegebenen Wellenlänge von 635 nm.

Gitter 80 Linien / mm Gitter 300 Linien / mm

x

2.1 Interferenz am Gitter Mithilfe eines optischen Gitters wird die Wellen-länge des Lasers der Schülerlampe experimentell bestimmt.

Arbeitsblatt Interferenz am Transmissionsgitter

falsch richtig

Gittertyp80

Linien/mm300

Linien/mm600

Linien/mm

Linienabstand g in μm 12,50 3,33 1,67

Schirmabstand e in m 0,33 0,33 0,14

Abstand Maxima x in m 0,017 0,064 0,058

Wellenlänge λ in nm 644 646 692

Fehler δλ in % 1 2 9

e

g

x

α

α

α

sin(α) = nλ __ g

tan(α) = x _ e

Für kleine Winkel

α «1

→ sin(α) ≈ tan(α)

nλ __ g =

x _ e

Gitter Schirm

Leseprobe

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PhOptik

Interferenz am Transmissionsgitter

Name

Datum

48 © Cornelsen Experimenta

Überlagern sich Lichtstrahlen eines Lasers wieder, nachdem sie unterschiedliche Wege gegangen sind, kommt es zu spezifischen Interferenzmustern. Mithilfe dieser Muster lässt sich die Wellen-länge des Lichts mit einem Lineal bestimmen, obwohl diese enorm klein ist.

Durchführung: Â Baue das Experiment gemäß der Abbildung auf.

 Berechne die Gitterkonstante g für die folgenden drei Gitter.

Gittertyp 80 Linien/mm 300 Linien/mm 600 Linien/mm

g in mm

 Untersuche den Einfluss der Gitterkonstanten auf das Interferenz-muster. Positioniere dazu den Schirm so, dass du mindestens drei Linien auf dem Schirm siehst.

Auswertung:1. Skizziere zu dem jeweiligen Gitter einen Ausschnitt des Musters.

Notiere jeweils den Abstand der Maxima und den Abstand ezwischen Schirm und Gitter, ergänze die Werte in deiner Skizze.

g =

e =

g =

e =

g =

e =

2. Markiere in deiner Skizze die Stellen der konstruktiven und destruk-tiven Interferenz.

3. Berechne mit deinen Daten die Wellenlängedes Lasers.Überprüfe dein Ergebnis mithilfe derDaten auf dem Typenschild.

Achte darauf, dass die Linie des Lasers vertikal ausgerichtet ist und die Beschrif-tung des Dias nach oben zeigt.

MesshinweisUm die Messgenauigkeit zu er-höhen, kannst du…

… den Abstand mehrerer Maxima messen.

… den Abstand zwischen Schirm und Gitter vergrößern. Vergiss dabei nicht den Abstand in der Skizze zu notieren.

Wiederholung Interferenz

konstruktiv destruktiv

+ +Leseprobe

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Handreichung (Bestellnummer 47530 5)

Schüler-Set Optik 2.0

Ref. 03.10

Cornelsen Experimenta GmbHHolzhauser Straße 7613509 Berlin

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